Los 10 retos m¨¢s intrigantes de la f¨ªsica

"?Qui¨¦n de nosotros no se sentir¨ªa feliz de levantar el velo que oculta el futuro, de echar un vistazo a los pr¨®ximos avances de la ciencia y a los secretos de su desarrollo durante los pr¨®ximos siglos?". Con esta sugerente declaraci¨®n el matem¨¢tico alem¨¢n David Hilbert plante¨®, hace 100 a?os, 23 de los grandes problemas del momento por resolver. Al final de otro siglo, en realidad de todo un milenio, hay m¨¢s inter¨¦s a¨²n por evaluar la ignorancia humana con listas de los misterios c¨®smicos m¨¢s estimulantes. Este verano, unos f¨ªsicos culminaron, con el t¨ªpico toque desenfadado, una conferencia sobre teor¨ªa de supercuerdas en la Universidad de Michigan (EE UU) en la sesi¨®n Locura del milenio, en la que eligieron los 10 problemas m¨¢s intrigantes en su campo.

Fue como un juego en el que participaron algunas de las personas m¨¢s inteligentes de la f¨ªsica. "Me plante¨¦ este reto imaginando qu¨¦ pregunta har¨ªa yo si me despertase de un estado de coma dentro de cien a?os", coment¨® David Gross, f¨ªsico te¨®rico de la Universidad de California en Santa B¨¢rbara, al desvelar cu¨¢les eran los problemas ganadores. Junto a otros jueces, Gross hizo la selecci¨®n, seg¨²n puntualiz¨®, "durante una fiesta en la que est¨¢bamos suficientemente bebidos".Tras descartar preguntas sin respuesta (del tipo "?c¨®mo lograr una plaza permanente?"), el jurado seleccion¨® suficientes rompecabezas como para ocupar a los f¨ªsicos durante el pr¨®ximo siglo. No hay premios econ¨®micos en este juego, pero solucionar alguno de estos problemas pr¨¢cticamente garantizar¨ªa el viaje a Estocolmo [para recibir el premio Nobel].

- 1. ?Son todos los par¨¢metros (medibles) adimensionales que caracterizan el universo f¨ªsico calculables en principio o algunos est¨¢n meramente determinados por accidente hist¨®rico o mecanocu¨¢ntico y son incalculables? Einstein lo plante¨® de modo m¨¢s agudo: ?Tuvo Dios elecci¨®n al crear el universo? Imagine a Dios sentado en su consola de control, prepar¨¢ndose para desencadenar el Big Bang: "?A qu¨¦ velocidad ajustar¨ªa yo la velocidad de la luz"; "?Qu¨¦ carga dar¨ªa yo al electr¨®n?"; "?Qu¨¦ valor dar¨ªa a la constante de Planck, el par¨¢metro que determina el tama?o de los peque?os paquetes -denominados cuantos- en que la energ¨ªa ser¨ªa empaquetada?". ?Adjudicar¨ªa cifras al azar para cumplir un plazo o los valores tendr¨ªan que ser lo que son debido a una l¨®gica profunda escondida?

Este tipo de preguntas conducen a un guirigay que implica un n¨²mero misterioso llamado Alfa. Si se eleva al cuadrado la carga del electr¨®n y se divide el resultado por la velocidad de la luz multiplicada por la constante de Planck, todas las dimensiones (masa, tiempo y distancia) se cancelan, produciendo lo que se llama un n¨²mero puro -Alfa, que es ligeramente superior a 1/137-. Pero ?por qu¨¦ no es exactamente 1/137 u otro valor completamente diferente? F¨ªsicos, e incluso m¨ªsticos, han intentado en vano explicar por qu¨¦.

- 2. ?C¨®mo puede ayudar la gravedad cu¨¢ntica a explicar el origen del universo? Dos de las grandes teor¨ªas de la f¨ªsica moderna son el modelo est¨¢ndar, que utiliza la mec¨¢nica cu¨¢ntica para describir las part¨ªculas subat¨®micas y las fuerzas de interacci¨®n entre ellas, y la relatividad general, la teor¨ªa de la gravedad. Los f¨ªsicos conjeturan desde hace tiempo que la fusi¨®n de ambas en una Teor¨ªa del todo -la gravedad cu¨¢ntica- proporcionar¨ªa una comprensi¨®n m¨¢s profunda del universo, incluyendo c¨®mo naci¨® espont¨¢neamente con el Big Bang. El mejor candidato para esta fusi¨®n es la teor¨ªa de supercuerdas, o teor¨ªa M, como se denomina la ¨²ltima versi¨®n de la misma (con la M por magia, misterio o madre de todas las teor¨ªas).

- 3. ?Cu¨¢l es la vida media del prot¨®n y c¨®mo entenderla? Sol¨ªa considerarse que los protones, a diferencia de, por ejemplo, los neutrones, viven indefinidamente, que nunca decaen en constituyentes m¨¢s peque?os. Pero en los a?os setenta, los f¨ªsicos te¨®ricos se dieron cuenta de que sus candidatos para una gran teor¨ªa unificada que fundiera todas las fuerzas excepto la gravedad implicaba que los protones deb¨ªan ser inestables. La cuesti¨®n es esperar suficiente tiempo y entonces, muy de vez en cuando, un prot¨®n se romper¨ªa.

La cuesti¨®n es pillarlo in fraganti. Los f¨ªsicos experimentales, en laboratorios subterr¨¢neos protegidos de los rayos c¨®smicos y de otras interferencias, han pasado a?os observando grandes dep¨®sitos de agua a ver si un prot¨®n de uno de los ¨¢tomos de la misma produce la se?al correspondiente. Hasta la fecha el recuento de muertes de protones es cero, lo que significa que o los protones son perfectamente estables o su vida media es enorme, un mil millones de billones de billones de a?os o m¨¢s.

- 4. ?Es la naturaleza supersim¨¦trica, y si es as¨ª, c¨®mo se rompe la supersimetr¨ªa? Muchos f¨ªsicos consideran que la unificaci¨®n de todas las fuerzas, incluida la gravedad, en una ¨²nica teor¨ªa requerir¨ªa demostrar que dos tipos muy diferentes de part¨ªculas est¨¢n de hecho ¨ªntimamente relacionadas, un fen¨®meno denominado supersimetr¨ªa.

Las primeras, llamadas fermiones, son descritas como los bloques de construcci¨®n de la materia, como los protones, los electrones y los neutrones. Estos bloques se juntan para formar todas las cosas. Los otros, los bosones, son las part¨ªculas intermediarias de las fuerzas, como los fotones, portadores de la luz. Con la supersimetr¨ªa, todo fermi¨®n tendr¨ªa un gemelo bos¨®n, y viceversa.

Los f¨ªsicos, con su tendencia convulsiva a inventarse nombres divertidos, denominan a las superparejas spart¨ªculas, y as¨ª, para el electr¨®n habr¨ªa un selectr¨®n y para el fot¨®n un fotino. Pero dado que no se han observado spart¨ªculas en la naturaleza, los f¨ªsicos tendr¨ªan tambi¨¦n que explicar por qu¨¦, en su jerga, la simetr¨ªa se rompe: la perfecci¨®n matem¨¢tica que existi¨® en el momento de la creaci¨®n fue destruida cuando el universo empez¨® a enfriarse y se solidific¨® en su estado actual asim¨¦trico.

- 5. ?Por qu¨¦ aparentemente el universo tiene una dimensi¨®n temporal y tres espaciales? Un por que s¨ª no se considera una respuesta aceptable. Y el hecho de que la gente no pueda imaginar el moverse en direcciones extra, m¨¢s all¨¢ del arriba/abajo, derecha/izquierda y adelante/atr¨¢s no significa que el universo tuviera que ser dise?ado as¨ª. Seg¨²n la teor¨ªa de supercuerdas, de hecho, debe haber seis dimensiones espaciales m¨¢s, cada una enrollada y demasiado diminuta para detectarla. Si esta teor¨ªa es correcta, ?por qu¨¦ s¨®lo se desplegaron tres dimensiones, dej¨¢ndonos en este escenario comparativamente claustrof¨®bico?

- 6. ?Por qu¨¦ la constante cosmol¨®gica tiene el valor que tiene? ?Es igual a cero y es realmente una constante? Hasta hace poco los cosm¨®logos pensaban que el universo est¨¢ expandi¨¦ndose a velocidad constante. Pero recientes observaciones indican que la expansi¨®n puede estar aceler¨¢ndose. Esta leve aceleraci¨®n se describe por algo llamado la constante cosmol¨®gica. Tanto si la constante resulta ser cero, como se cre¨ªa antes, o si tiene alg¨²n valor muy peque?o, los f¨ªsicos no saben explicar la raz¨®n. Seg¨²n algunos c¨¢lculos fundamentales, deber¨ªa ser grande, entre 10 y 122 veces mayor de lo observado.

El universo, en otras palabras, estar¨ªa hinch¨¢ndose a saltos y como no lo est¨¢, debe haber alg¨²n mecanismo que suprime el efecto. Si el universo fuera perfectamente supersim¨¦trico, la constante cosmol¨®gica resultar¨ªa cancelada por completo. Pero dado que la simetr¨ªa, si existe despu¨¦s de todo, parece estar rota, la constante deber¨ªa ser demasiado grande. Las cosas ser¨¢n mucho m¨¢s confusas a¨²n si resulta que la constante var¨ªa en el tiempo.

- 7. ?Cu¨¢les son los grados fundamentales de libertad de la teor¨ªa M (la teor¨ªa cuyo l¨ªmite de baja energ¨ªa es la supergravedad de once dimensiones y que engloba las cinco teor¨ªas consistentes de supercuerdas) y describe esta teor¨ªa la naturaleza? Durante a?os, un gran inconveniente de la teor¨ªa de supercuerdas ha sido que hab¨ªa cinco versiones. ?Cu¨¢l describ¨ªa el universo, si es que alguna lo hac¨ªa? Los rivales se han reconciliado recientemente en un marco global de 11 dimensiones que es la teor¨ªa M, pero a costa de introducir complicaciones.

Antes de la teor¨ªa M se dec¨ªa que todas las part¨ªculas subat¨®micas eran min¨²sculas supercuerdas. La teor¨ªa M a?ade a la mezcla subat¨®mica unos objetos a¨²n m¨¢s extra?os denominados branes -como membranas pero con nueve dimensiones-. La cuesti¨®n es cu¨¢l es m¨¢s fundamental -?est¨¢n las cuerdas hechas de branes o viceversa? ?O hay algo todav¨ªa m¨¢s fundamental que nadie ha concebido a¨²n? Finalmente, ?es real algo de esto o es la teor¨ªa M sencillamente un fascinante juego mental?

- 8. ?Cu¨¢l es la soluci¨®n de la paradoja de la informaci¨®n del agujero negro? Seg¨²n la teor¨ªa cu¨¢ntica, la informaci¨®n -tanto si ¨¦sta describe la velocidad de una part¨ªcula o la forma precisa en que las marcas de tinta est¨¢n ordenadas en un documento- no puede desaparecer del universo.

Pero los f¨ªsicos Kip Thorpe, John Preskill y Stephen Hawking han hecho una apuesta: ?Qu¨¦ pasar¨ªa si se tira una copia de la Enciclopedia Brit¨¢nica por un agujero negro? No importa si hay otras copias id¨¦nticas en alg¨²n otro lugar del universo. Tal y como se define en f¨ªsica, la informaci¨®n no es lo mismo que el significado, sino que se refiere simplemente a los d¨ªgitos binarios, o cualquier otro c¨®digo, utilizado para describir exactamente un objeto o patr¨®n. Asi que parece que la informaci¨®n en esos libros concretos ser¨ªa engullida y desaparecer¨ªa para siempre. Y se supone que esto es imposible.

Hawking y Thorpe creen que la informaci¨®n efectivametne desaparecer¨ªa y que la mec¨¢nica cu¨¢ntica tendr¨ªa que afrontar la cuesti¨®n. Preskill especula que la informaci¨®n no se desvanece en realidad: puede resultar expuesta de alguna manera en la superficie del agujero negro como en una pel¨ªcula c¨®smica.

- 9. ?C¨®mo explica la f¨ªsica la enorme disparidad entre la escala gravitatoria y la t¨ªpica escala de la masa de las part¨ªculas elementales? En otras palabras: ?Por qu¨¦ la gravedad es mucho m¨¢s d¨¦bil que las otras fuerzas, como el electromagnetismo? Un im¨¢n puede levantar un clip aunque la gravedad de toda la Tierra est¨¦ tirando de ¨¦l en sentido contrario. Seg¨²n una propuesta reciente, la gravedad es, de hecho, mucho m¨¢s fuerte. Sencillamente parece d¨¦bil porque la mayor parte de ella est¨¢ atrapada en una de esas dimensiones extra. Si toda su fuerza pudiera ser extra¨ªda con aceleradores de part¨ªculas de alta energ¨ªa, ser¨ªa posible crear agujeros negros min¨²sculos. Aunque pueda parecer interesante para la industria de los residuos s¨®lidos, las agujeros negros probablemente se evaporar¨ªan tan pronto como se formasen.

- 10. ?Podemos comprender cuantitativamente el confinamiento de quarks y gluones en la cromodin¨¢mica cu¨¢ntica y la existencia de un intervalo de masa? La cromodin¨¢mica cu¨¢ntica, o QCD, es la teor¨ªa que describe la fuerza nuclear fuerte. Los intermediarios de esta fuerza son las part¨ªculas llamadas gluones y es la que mantiene unidos a los quarks para formar protones y neutrones. Seg¨²n la teor¨ªa, estas min¨²sculas part¨ªculas est¨¢n permanentemente confinadas, no se puede arrancar un quark o un glu¨®n de un prot¨®n porque la fuerza fuerte se hace cada vez m¨¢s fuerte con la distancia y vuelve a colocar las part¨ªculas en su sitio.

Pero los f¨ªsicos todav¨ªa tienen que demostrar de modo concluyente que los quarks y los gluones nunca pueden escapar. Cuando tratan de hacerlo, los c¨¢lculos se desmadran. Y no pueden explicar por qu¨¦ todas las part¨ªculas gobernadas por la fuerza fuerte tienen que tener como m¨ªnimo una cierta cantidad de masa, aunque sea min¨²scula, pero que no puede ser cero. Algunos esperan encontrar una respuesta en la teor¨ªa M, que tal vez ilumine algo la naturaleza de la gravedad.

- 11. (Pregunta a?adida en la transcripci¨®n): ?Qu¨¦ importancia tendr¨ªa todo esto? Al presentar su lista de misterios, Hilbert lo explic¨® as¨ª: "El investigador comprueba el temple de su acero solucionando problemas; encuentra nuevos m¨¦todos y nuevas perspectivas, y adquiere un horizonte m¨¢s amplio y m¨¢s libre". Y en f¨ªsica, el horizonte es ni m¨¢s ni menos que una teor¨ªa que finalmente d¨¦ sentido al universo.

? The New York Times